Создание надежных автомобильных источников питания

Чем больше электронных блоков появляется на борту автомобиля, тем выше становится уровень потребления и тем больше проблем возникает с электромагнитными помехами. Инновационные LDO-стабилизаторы и повышающие преобразователи помогают справиться с этими проблемами.
104
В избранное

Автомобильная система питания достаточно сложна и работает в условиях целого ряда ограничений. Одно из ограничений заключается в том, что в качестве основного источника питания используется аккумулятор 12 В, который постоянно подзаряжается в процессе работы. Кроме того, количество электрических и электронных блоков, размещаемых на борту автомобиля, увеличивается с каждым днем. В качестве примеров новых потребителей можно привести информационно-развлекательные системы, системы помощи водителю (ADAS) и сложные системы светодиодного освещения. К новым электронным блокам также следует отнести и системы, отвечающие за снижение выброса вредных веществ в окружающую среду. Но и это еще не все. Новые потребители неизбежно увеличивают уровень электромагнитных помех в бортовой сети автомобиля. По этой причине крайне важно принимать меры по уменьшению генерируемых шумов и помех.

Как показывает опыт, со всеми перечисленными проблемами можно успешно бороться, особенно если знать, где искать готовые решения. Например, компания Texas Instruments (TI) предлагает множество продуктов, которые позволяют ускорить и упростить разработку источников питания для автомобильных электронных устройств.

LDO для удаленных источников питания

Практически все новые автомобильные электронные системы нуждаются в стабильном источнике питания. Такие источники должны быть защищены от коротких замыканий, обрывов, перенапряжений и переходных процессов. К сожалению, напряжение в бортовой сети и на клеммах аккумулятора не является абсолютно стабильным и зависит от постоянно изменяющейся нагрузки, а также от колебаний параметров окружающей среды.

В результате, с одной стороны, для нормальной работы потребителей требуется регулирование и стабилизация напряжения, а с другой стороны, преобразование напряжения не должно способствовать возникновению проблем с электромагнитными помехами. По этой причине для большинства автомобильных приложений оптимальным выбором становятся линейные стабилизаторы с малым падением напряжения (LDO). LDO обладают относительно высокой эффективностью и не являются источниками какого-либо существенного шума.

Питание информационно-развлекательных систем и ADAS очень часто осуществляется с помощью тонкого коаксиального кабеля, который нередко имеет существенную длину. Использование длинного проводника связано с возможным возникновением негативных и аварийных ситуаций, таких, например, как короткие замыкания и обрывы, ухудшение характеристик из-за воздействия окружающей среды и т.д. Примерами удаленных нагрузок являются антенны радио/ GPS с внутренними LNA, резервные камеры и микрофоны со встроенным предусилителем. Использование LDO-стабилизаторов для питания таких нагрузок является идеальным решением, но при этом необходимо обеспечить высокий уровень защиты.

Одним из готовых решений для подобных приложений является TPS7B7702-Q1 от TI – LDO-стабилизатор с контролем тока для двухканальных антенн (рис. 1). Он может работать с широким диапазоном входных напряжений от 4,5 до 40 В и обладает защитой от обрыва нагрузки. Выходное напряжение стабилизатора может задаваться в диапазоне от 1,5 до 20 В, а выходной ток достигает 300 мА на канал. Важной особенностью TPS7B7702-Q1 является функция измерения тока, для которой потребуется один внешний дополнительный резистор. Для контроля тока будет достаточно одного АЦП, если использовать мультиплексирование токовых выходов (SENSE1 и SENSE2). Для управления стабилизатором обычно применяется микроконтроллер.

Функциональная схема LDO-стабилизатора TPS7B770x-Q1

Рис 1. Функциональная схема LDO-стабилизатора TPS7B770x-Q1

На рис. 1 приведена функциональная схема LDO-стабилизатора TPS7B770x-Q1, предназначенного для автомобильных приложений. Напряжение с выходов OUT1/ OUT2 подается на нагрузку по коаксиальному кабелю, который также передает сигнал антенны. 

TI также предлагает TIDA-01569 – референсную схему питания четырехканальной антенны, построенную на базе LDO-стабилизатора со встроенной цифровой диагностикой и защитой. Эта схема предназначена для питания удаленной внешней нагрузки, зачастую подключаемой посредством коаксиальных кабелей (рис. 2).

Референсная схема TIDA-01569

Рис. 2. Референсная схема TIDA-01569

Референсная схема TIDA-01569 использует LDO-стабилизаторы TPS7B7702-Q1 для питания четырех удаленных нагрузок. Обратите внимание на мультиплексирование выходов контроля тока (рис.2).

Данная схема обеспечивает защиту от различных аварийных ситуаций и цифровую диагностику посредством интерфейса I2C и аварийных выходов. I2C и аварийные выходы позволяют сообщить управляющему контроллеру об обнаружении напряжений обратной полярности, обратного тока, короткого замыкания на батарею и короткого замыкания на землю, а также об отключении при перегреве. Встроенная защита от обратного тока не требует внешнего диода, что обеспечивает уменьшение стоимости изделия и не приводит к увеличению падения напряжения.

Повышающие преобразователи минимизируют последствия от падения напряжения аккумулятора

Другой распространенной проблемой автомобильного питания становятся значительные просадки напряжения, возникающие по различным причинам. Примером наиболее распространенной ситуации является кратковременное падение напряжение аккумулятора при запуске двигателя.

Сегодня многие автомобили оснащены системой «старт-стоп», которая выключает двигатель при остановке и при работе на холостом ходу. Это помогает уменьшить выбросы в окружающую среду и снизить расход топлива. Когда двигатель заводится, напряжение аккумулятора серьезно проседает. Во многих современных автомобилях для поддержания напряжения питания во время запуска двигателя используют предварительные повышающие преобразователи напряжения.

Основными требованиями, предъявляемыми к таким преобразователям, являются:

  • Способность работы с диапазоном входных напряжений от 2,5 до 40 В.
  • Обеспечение выходного напряжения в диапазоне от 8,5 до 40 В.
  • Обеспечение выходного тока в диапазоне от 2 до 4 А.
  • Минимальная задержка включения.

Примером преобразователя, отвечающего перечисленным требованиям, является LM5150-Q1 от TI. Он может выдерживать входное напряжение от 1,5 до 42 В и потребляет менее 15 мкА в режиме ожидания (IQ). LM5150-Q1 имеет программируемое пользователем выходное напряжение 6,8/ 7,5/ 8,5/ 10,5 В.

LM5150-Q1 представляет собой импульсный преобразователь с программируемой частотой коммутаций от 220 кГц до 2,3 МГц. Частота 2,2 МГц является номинальной, поскольку она обеспечивает минимальный уровень помех в AM-диапазоне.

Одна из проблем, возникающих при использовании некоторых преобразователей, состоит в недостаточной скорости включения и, соответственно, в просадке выходного напряжения преобразователя при падении напряжения аккумулятора. На рис. 3 пример медленного включения преобразователя показан зеленым цветом. Возникающая просадка может длиться сотни микросекунд, прежде чем выходное напряжение стабилизируется и вернется к номинальному значению.

Пример медленного включения преобразователя (выделен зеленым цветом)

Рис. 3. Пример медленного включения преобразователя (выделен зеленым цветом)

Не все повышающие преобразователи способны выдерживать значительные просадки и скачки напряжения (зеленая кривая на рис. 3), возникающие в автомобильной бортовой сети. Повышающие преобразователи LM5150-Q1 от TI решают эту проблему (красная кривая). 

Эта проблема решается за счет увеличения скорости включения и повышения опорного напряжения усилителя рассогласования. У преобразователей LM5150-Q1 таких проблем нет.

Референсная схема для машин с системой «старт-стоп»

Референсная схема TIDT001 обеспечивает решение проблемы просадки напряжения, которая может отрицательно сказаться на нормальной работе мультимедийных информационно-развлекательных систем, приборов и ADAS. Схема использует повышающий контроллер LM5150-Q1 с низким током потребления IQ и понижающий контроллер LM5141-Q1. Преимуществами этой схемы является высокая частота коммутации преобразователей 2,2 МГц, минимальное число внешних компонентов, компактные размеры и быстрая реакция на просадки напряжения даже при наличии системы «старт-стоп».

Источник: www.electronicdesign.com

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
TPS7B7702QPWPRQ1
TPS7B7702QPWPRQ1
Texas Instruments
Арт.: 1922946 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
Dual-Channel Antenna LDO With Current Sense 16-HTSSOP -40 to 125
TPS7B7702QPWPRQ1
-
Поиск
предложений
TPS7B7701QPWPRQ1
TPS7B7701QPWPRQ1
Texas Instruments
Арт.: 2090718 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Single Channel Antenna LDO With Current Sense 16-HTSSOP -40 to 125
TPS7B7701QPWPRQ1
-
Поиск
предложений
LM5150RUMEVM
LM5150RUMEVM
Texas Instruments
Арт.: 2572894 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
LM5150RUM Evaluation Module
LM5150RUMEVM
-
Поиск
предложений
LM5150RUMHDEVM
LM5150RUMHDEVM
Texas Instruments
Арт.: 2572895 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
LM5150RUMHDEVM Evaluation Module
LM5150RUMHDEVM
-
Поиск
предложений
LM5150QRUMRQ1
LM5150QRUMRQ1
Texas Instruments
Арт.: 2589934 PDF AN
Поиск
предложений
Switching Controllers Wide VIN Automotive Low IQ Boost Controller 16-WQFN -40 to 150
LM5150QRUMRQ1
-
Поиск
предложений
LM5150QRUMTQ1
LM5150QRUMTQ1
Texas Instruments
Арт.: 2589935 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
Switching Controllers Wide VIN Automotive Low IQ Boost Controller 16-WQFN -40 to 150
LM5150QRUMTQ1
-
Поиск
предложений
LM51501QRUMTQ1
LM51501QRUMTQ1
Texas Instruments
Арт.: 2777795 PDF AN
Поиск
предложений
DC/DC CTRL, AEC-Q100, BOOST, WQFN-16
LM51501QRUMTQ1
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()